Процесс производства и потребления электроэнергии должен быть непрерывным. К сожалению, это существенно снижает внедрение возобновляемых источников электрической энергии. Ведь в промышленных масштабах человечество пока не научилось эффективно её хранить, а применяемые способы ещё очень опасны.
Достаточно вспомнить аварию на хранилище энергии Tesla Megapack, когда из-за короткого замыкания возник пожар, потушить который удалось только через три дня. Однако есть способы хранения, которые проще, дешевле и надёжнее – гравитационные батареи.
Что это такое?
Гравитационные батареи — это системы накопления энергии, которые используют силу тяжести, иными словами — гравитацию для хранения и последующей выработки электроэнергии. Их принцип работы основан на преобразовании избыточной энергии, например, от тепловых, солнечных или ветровых электростанций в потенциальную энергию, путём подъёма груза на высоту. Когда требуется энергия, груз опускается, а кинетическая энергия движения преобразуется обратно в электричество с помощью генераторов.
При чём здесь ГАЭС?
Всё дело в том, что гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) также используют силу тяжести для хранения электроэнергии. Другими словами, это «гигантские аккумуляторы», которые превращают потенциальную энергию в электричество и обратно.
Основные компоненты ГАЭС:
- Верхнее водохранилище (верхний бьеф) — расположено на возвышенности.
- Нижнее водохранилище (нижний бьеф) — находится внизу, например, в долине или у реки.
- Турбины-генераторы — обратимые машины, которые работают как насосы при закачке воды и как генераторы при её спуске.
- Насосы — перекачивают воду в верхний резервуар (в некоторых системах совмещены с турбинами).
- Трубопроводы — соединяют водохранилища.
ГАЭС работают в двух режимах: накопление и генерация. При работе в режиме накопления, в периоды избытка электроэнергии, например, ночью или при работе солнечных (ветровых станций), насосы перекачивают воду из нижнего водохранилища в верхнее водохранилище. Электричество тратится на работу насосов, преобразуясь в потенциальную энергию воды.
В часы пикового спроса, например, утром или вечером, вода спускается из верхнего водохранилища в нижнее через турбины, которые вращаются, приводя в действие генераторы. Соответственно, генераторы вырабатывают электричество.
ГАЭС легко масштабировать, что отлично подходит для хранения огромных объёмов энергии.
Запуск занимает от 2 до 5 минут, что помогает сглаживать пики потребления. Срок службы составляет от 50 до 100 лет. При работе электростанции не выделяют и не требуют применения токсичных материалов.
Однако есть и оборотная сторона медали. К существенным недостаткам ГАЭС относят зависимость от рельефа: для работы требуется перепад высот (200–500 м). Строительство занимает 5–10 лет и обходится в значительные суммы. Затопление территорий вызывает изменение локальных экосистем.
Вышеперечисленные обстоятельства значительно снижают распространённость ГАЭС!
Поэтому гравитационные батареи считаются наиболее перспективными для интеграции с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), так как решают проблему их нестабильности. Технология активно развивается, но пока находится на стадии пилотных проектов и коммерческого внедрения.
Преимущества гравитационных батарей
- Долговечность. Срок службы таких систем может достигать несколько десятков лет, так как в них отсутствуют химические элементы, деградирующие со временем (в отличие от литий-ионных аккумуляторов).
- Экологичность. Для работы не требуются токсичные материалы или редкие ресурсы. Основные компоненты — грузы (бетон, камни, вода) и механические системы.
- Масштабируемость. Мощность и ёмкость можно увеличивать, добавляя больше грузов или увеличивая высоту их подъёма.
- Низкие эксплуатационные затраты. Минимум сложных компонентов снижает затраты на обслуживание.
- Безопасность. Нет риска возгорания или химического загрязнения, в отличие от традиционных батарей.
- Независимость от погоды. В отличие от солнечных и ветровых электростанций, гравитационные системы могут работать в любых условиях.
Примеры гравитационных батарей
Гравитационные батареи — это не только бетонные башни или шахты. Технологии варьируются от гигантских батарей до компактных рельсовых систем, предлагая решения для разных условий и масштабов. Технологии постоянно развиваются. Рассмотрим основные решения.
Башни из бетонных блоков
Компания Energy Vault (Швейцария) разработала систему с башнями из бетонных блоков. Краны поднимают блоки весом 25–35 тонн на высоту до 150–200 метров. Конкретное решение зависит от модели. Подъём происходит с помощью избыточной энергии, а при необходимости блоки опускают, вырабатывая электричество. Один такой проект может хранить до 100 МВт·ч энергии.
Преимущества этой технологии:
- Экологичность. Блоки изготавливаются из переработанных материалов.
- Масштабируемость. Системы можно адаптировать под нужды от небольших посёлков до мегаполисов.
- Быстрое развёртывание. Установка занимает от 6 до 9 месяцев, что в 2–3 раза быстрее строительства ГАЭС.
- Низкая себестоимость. Примерно $0.05–0.08 за кВт·ч (дешевле литий-ионных аккумуляторов).
Недостатки:
- Визуальное воздействие. Высокие башни могут портить ландшафт (решается переходом на горизонтальные системы EVx).
- Ограниченная мощность. Пока уступает гидроаккумулирующим станциям (ГАЭС достигают гигаваттных мощностей).
- Зависимость от рельефа. Для системы требуется ровная площадка, что не всегда доступно в горных регионах.
Гравитационные системы в шахтах
Старые шахты используются как вертикальные "шахты-накопители": грузы опускаются в глубокие колодцы, а их подъём и спуск генерирует энергию. В качестве примера можно привести Gravitricity — британский стартап, разрабатывающий инновационные гравитационные системы хранения энергии на основе вертикальных шахт. Компания создана в 2011 году в Эдинбурге инженерами Чарльзом Хасселем (Charles Hassell) и Мартином Райтом (Martin Wright).
Накопление энергии происходит следующим образом: избыточная электроэнергия (например, от ветряков или солнечных панелей) подаётся на электродвигатели. При этом груз — плита массой 500–12 000 тонн (из чугуна, бетона или переработанных материалов) поднимается на высоту 300–1500 метров внутри шахтного ствола.
При необходимости груз опускается, приводя в движение генераторы через систему тросов и шкивов. Энергия подаётся в сеть за время, менее 1 секунды, что критически важно для балансировки пиковых нагрузок. Одна шахта может хранить 2–25 МВт·ч, а сети шахт — до сотен МВт·ч.
Такая система обладает высоким КПД: 85–90% за счёт минимальных потерь в механической системе. Срок службы составляет более 50 лет, что в 2–3 раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, система не наносит вред окружающей среде, ведь нет токсичных материалов или выбросов CO₂, а использование старых шахт снижает затраты на инфраструктуру.
Пилотные проекты
В 2021 году была построена демонстрационная установка в Эдинбурге. Масштаб был сравнительно небольшой: груз 50 тонн, высота 16 метров. Однако на практике был подтверждён КПД 85% и скорость реакции <1 сек.
В 2024 году был запущен пилотный проект в Чехии. Для проекта была выбрана бывшая угольная шахта в Моравско-Силезском краю. Параметры установки: глубина 700 м, груз 1000 тонн, ёмкость 4 МВт·ч, мощность 2 МВт. При помощи установки удалось обеспечить энергией 600 домов в течение 2 часов.
КПД системы подтверждён на уровне 87%, что близко к заявленным 85–90%. При эксплуатации тросы из углеродного волокна показали износ всего 2% за год, что подтверждает долговечность технологии.
Gravitricity ведёт переговоры о подключении ещё двух шахт в том же регионе (общая ёмкость к 2026 — 20 МВт·ч). Планируется адаптировать технологию для шахт в других угледобывающих регионах. Однако сейчас требования к безопасности для старых шахт ужесточились, что увеличило сроки сертификации.
К 2025 году Gravitricity подтвердила жизнеспособность своей технологии, но столкнулась с рыночными и регуляторными вызовами. Проект в Чехии стал шаблоном для других стран, однако массовое внедрение зависит от снижения капитальных затрат и поддержки государств. Главный урок: гравитационные системы идеальны для регионов с горнодобывающим наследием, но пока не могут конкурировать с ГАЭС в мегаваттных масштабах.
ARES
Эта аббревиатура расшифровывается как Advanced Rail Energy Storage (Усовершенствованное Хранение Энергии на Железной дороге) — инновационная система хранения энергии, которая использует гравитацию и движение тяжёлых вагонов по рельсам для накопления и генерации электричества. Проект сочетает простоту механических решений с потенциалом масштабирования, предлагая экологичную альтернативу традиционным аккумуляторам.
Компания создана в 2010 году инженером Джеймсом Келли (James Kelly) в США. Цель компании: обеспечить стабильное хранение энергии для возобновляемых источников (ВИЭ) без использования редких материалов или токсичных компонентов.
Избыток электроэнергии (например, от солнечных панелей) питает электродвигатели, которые поднимают вагоны с грузом в гору по рельсам. Таким образом, электричество преобразуется в потенциальную энергию.
При необходимости генерации энергии вагоны спускаются под уклон, а их движение приводит в действие генераторы, вырабатывающие ток.
Ключевые компоненты:
- Рельсовый путь. Установлен на склоне с уклоном 6–8% (высота перепада — 500–1000 метров).
- Вагоны. Каждый весит до 300 тонн, оснащён рекуперативными тормозами и двигателями.
- Система управления. Алгоритмы регулируют скорость подъёма или спуска в зависимости от спроса на энергию.
- Груз. Используются дешёвые материалы (бетон, камни, металлолом).
Так же как и вышеперечисленные системы, ARES не производит выбросы CO₂, токсичных отходов или выбросы редкоземельных металлов. Грузы можно изготавливать из местных материалов или переработанных отходов.
Монтаж занимает 1–2 года. Мощность системы зависит от числа вагонов и длины пути. Рельсы можно проложить вдоль существующих железных дорог или в горных районах. Монтаж занимает 1–2 года. Один проект может хранить до 50 МВт·ч. Срок службы — 30–40 лет.
К сожалению, проект имеет некоторые ограничения. Так, для реализации необходим подходящий уклон, например, горные регионы или искусственные насыпи. Рельсовые пути могут нарушать природный ландшафт. При этом строительство путей и приобретение вагонов требует значительных инвестиций.
Пилотные проекты
Демонстрационная система в Неваде (2019)
Параметры:
- Длина пути: 8 км, уклон: 7%.
- Мощность: 12.5 МВт, ёмкость: 50 МВт·ч.
- Груз: 6 вагонов по 200 тонн.
Результаты:
- КПД системы — 80%.
- Успешная интеграция с солнечной электростанцией.
Проект в Калифорнии (планируется)
- Цель: Обеспечить энергией 20 000 домов в пиковые часы.
Параметры:
- Мощность: 50 МВт, ёмкость: 400 МВт·ч.
- Стоимость: $1.2 млрд.
ARES — это «поезд, который работает на гравитации». Технология идеальна для регионов с подходящим рельефом, где нужно хранить энергию без вреда для экологии. Несмотря на ограничения, проект демонстрирует, что даже простые механические решения могут стать частью энергетического перехода.
SinkFloat (плавучие системы)
SinkFloat — это инновационная технология хранения энергии, которая использует плавучие платформы и силу тяжести для накопления и генерации электроэнергии. Система предназначена для работы в морских условиях, что делает её идеальной для прибрежных регионов и островных государств.
Избыточная энергия (например, от ветряков или приливных электростанций) используется для подъёма тяжёлых грузов (бетонные блоки, металлические конструкции) с морского дна к плавучей платформе. Электричество преобразуется в потенциальную энергию за счёт вертикального перемещения грузов.
При необходимости грузы опускаются обратно на дно. Движение тросов, связанных с грузами, приводит в действие подводные генераторы, вырабатывающие электричество.
Ключевые компоненты:
- Платформа. Плавучая конструкция, закреплённая на поверхности воды. Изготавливается из устойчивых к коррозии материалов (например, алюминиевые сплавы).
- Грузы. Блоки массой 50–500 тонн, устойчивые к морской воде (бетон с защитным покрытием, нержавеющая сталь).
- Тросы и лебёдки. Углеродные волокна или синтетические канаты, выдерживающие высокие нагрузки и солёную воду.
- Генераторы. Подводные турбины или линейные генераторы, преобразующие кинетическую энергию в электричество.
Пример
Пилотный проект в Норвегии (2022–2023):
Место: Северное море, близ Бергена. Цель – обеспечить энергией рыболовный порт в периоды пикового спроса. Успешное тестирование на 75% мощности, КПД — 78%.
Параметры:
- Глубина – 200 метров.
- Груз – 10 бетонных блоков по 50 тонн.
- Ёмкость – 1 МВт·ч, мощность: 0.5 МВт.
Грузы из бетона можно изготовить из переработанных отходов.
Такая установка идеально подходит для регионов с ограниченной сухопутной территорией. Система работает при штормах и сильных течениях и производит минимальное визуальное воздействие (платформы почти незаметны).
Однако есть и проблемы. Морская вода, соль и микроорганизмы ускоряют износ компонентов. Ремонт подводных генераторов и тросов требует дорогостоящих водолазных работ. Требуются большие глубины (более 150 метров) для масштабирования, что доступно не везде. Установка грузов может нарушать донные биоценозы.
SinkFloat — это «подводный аккумулятор», который превращает морские глубины в хранилище энергии. Технология особенно перспективна для стран с протяжённой береговой линией, но требует доработки для снижения затрат и минимизации экологического ущерба. Если проекты масштабируются, SinkFloat может стать ключевым элементом зелёной энергетики в прибрежных регионах.
Заключение
Гравитационные батареи, как инновационная технология, являются перспективным решением для интеграции с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Это связано с тем, что они эффективно решают одну из ключевых проблем, а именно нестабильность выработки энергии, характерную для ВИЭ.
С течением времени сами ВИЭ могут значительно меняться, что создаёт значительные трудности для поддержания стабильного снабжения электроэнергией. Гравитационные батареи предлагают уникальный подход для хранения избыточной энергии и её последующей выдачи в периоды повышенного спроса или недостатка поставок.
Технология активно развивается на протяжении последних лет, привлекая внимание учёных, инженеров и инвесторов, стремящихся искать устойчивые решения для энергетической инфраструктуры. Однако сейчас она остаётся на стадии пилотных проектов и коммерческого внедрения, а это означает, что ещё только предстоят множественные эксперименты и исследования.
Важно отметить, что эти проекты не только тестируют эффективность гравитационных аккумуляторов, но и предоставляют ценную информацию, необходимую для дальнейшего совершенствования технологии. Интеграция таких систем требует комплексного подхода и сотрудничества между различными отраслями, что делает данный процесс крайне увлекательным и многообещающим.
Автор статьи — Илья Корчагин.